Données scientifique du suivi de la Grotte de la Petite Balme

Chargement des données

Données Météo-France à la station de Tignes

Nous avons utilisé les données de la station Météo-France à Tignes. Ces données sont accessibles sur : https://portail-api.meteofrance.fr/web/fr/liste-api/categorie/Climatologie

Débits de l'Isère à Bourg Saint Maurice

Les données de débits de l'Isère utilisées servent de proxy des débits dans les torrents de montagne. Ces données proviennent de la station hydro en amont de Bourg Saint Maurice https://hydro.eaufrance.fr/stationhydro/W002000102/fiche

Données de températures acquises dans la grotte

Nous avons mis en place un suivi des températures dans la cavité.

Capteurs utilisés :

• HOBO Pendant 64K
• HOBO Pendant MX
• Dostmann LOG 32 TH

Mise en place de capteur de température à partir de 2021. Beaucoup de problèmes de fiabilité sur les capteurs Dostmann.

Données de pression d'eau dans la cavité

Les capteurs sont localisés sur la topographie ci-dessus.

Il ont été mis en place :

• Reférence : Haut du P50
• Lieu de Mesure : 5m au dessus du siphon d'après la topographie

Nous avons utilisé des capteurs :

• Reefnet Sensus Ultra de 2023 à 2024
• Hobo U20L-02 (haut du puits) et U20-001-03 (siphon)

Données de hauteur d'eau torrent

Lors du traçage nous avons mis en place un suivi de la hauteur d'eau à la Source de Caffo et dans le Retord. La référence de pression a été mise en place à la source de Caffo.

Données des fluorimètres

Gouille de salin

Un fluorimètre GGUN FL30 a été mis en place à la Gouille de Salin à partir du 23 août 2025. Il a été retiré le 8 novembre 2025. Une première interruption a été réalisée fin août pour vérifier le bon fonctionnement et la quantité de batterie disponible. Une seconde interruption accidentelle s'est produite à partir du 18 septembre à cause d'une défaillance des batteries. Un changement de batteries a eu lieu le 11 octobre permettant de faire fonctionner le fluorimètre jusqu'à la fin de la mesure.

Ce fluorimètre a été doublé par un fluocapteur.

Timestamp('2025-09-18 11:41:01')

Timestamp('2025-10-11 16:13:31')

Caffo

Un fluorimètre TRAQUA STREAM a été mis en place à la résurgence du captage le 15 août 2025. Il a été retiré le 11 octobre 2025. Ce capteur ayant la particularité d'une mesure externe a été mis en place dans un tube noir opaque dont l'extrémité a été perforée pour laisser passer l'eau.

Ce fluorimètre a été doublé par un fluocapteur.

Retord

Un fluorimètre TRAQUA STREAM a été mis en place dans le torrent du Retord le 15 août 2025. Il a été retiré le 11 octobre 2025. Ce capteur ayant la particularité d'une mesure externe a été mis en place dans un tube noir opaque dont l'extrémité a été perforée pour laisser passer l'eau. Nous avons remarqué que le capteur a été souvent à la limite de l'eau et que la vitre du capteur était couverte de sédiment quand nous l'avons retiré empechant une bonne mesure.

Ce fluorimètre a été doublé par un fluocapteur.

Données topographiques : Volume du puits

Le volume du puits a été calculé à partir d'une topographie spéléo. Nous estimons que la conversion réalisée va minimiser le volume réel.

Altitude minimale et maximale du mesh -222.125748 -118.062584

Cette courbe présente le volume d'eau dans le puits en fonction de la hauteur d'eau mesurée.

Traitements des données

Conversion d'une hauteur d'eau en volume

Par une interpolation suivant un polynôme de degré 3, nous définissons une fonction de conversion d'une hauteur d'eau vers un volume d'eau.

Conversion des hauteurs d'eau des reefnets en volume d'eau dans la cavité. Il s'agit d'une approximation ayant pour but prendre en compte les variations de morphologie de la cavité dans le calcul du volume.

Détermination des phases de mises en charge

En calculant la dérivé en chaque point de la courbe, nous déterminons les périodes de mise en charge et de vidange de la cavité. L'utilisation d'un seuil à 0.1 m/h, nous fait filter possiblement un peu trop certaines phase mais permet de conserver une continuité sur les mises en charge de grande ampleur.

Hauteur

Nous avons réalisé une première identification des phases de mise en charge à partir des hauteurs d'eau.

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Volume

Il a semblé plus juste d'identifié les phases de mise en charge sur les variations de volumes.

488

Analyse

Traçage hydrologique

Le traçage est un outil essentiel dans l'exploration spéléologique. Il permet de comprendre les cheminements de l'eau souterraine et d'établir des connexions entre les zones d'infiltration et les résurgences. Dans le cadre d'une approche prospective, le traçage sert à explorer des hypothèses sur le fonctionnement hydrologique d'un massif. Un traçage quantitatif vise à mesurer les temps de transit, les vitesses d'écoulement et la dispersion du traceur, fournissant des données précises sur la dynamique des écoulements. Ce type d’analyse est indispensable pour une gestion durable des ressources en eau, en particulier dans les systèmes karstiques complexes. Les résultats attendus incluent une meilleure connaissance des connexions souterraines, une évaluation des risques potentiels (comme la pollution) et des informations sur la recharge des aquifères.

Gouille de Salin

Calibration du GGUN FL30

	Blanc	Solution 1	Solution 2	Solution 3
Concentration (ug/L)	0	92.0070929	577.000	1257.43027
Valeur	163.82	372.96	1825.74	2486.06

Le blanc est réalisé sur l'eau de la Gouille de Salin durant 10 jours. Cette valeur soustraite au signal brut avant conversion.

Nous avons choisi de réaliser une courbe de calibration linéaire. Une polynomiale de degré 2 ne permettait pas d'obtenir de résultats croissants. Nous avons également essayé une courbe log10.

Nous forçons

Blanc (mV) calculé sur les 10 premiers jours : 3.207344262295082

Fit linéaire :
   slope     = 0.4940580040416685
   intercept = 3.207344262295082

Courbe de fluorescence

Calcul de la masse de fluorésceine

Intégration de la concentration de fluorésceine dans le temps. Nous avons choisi d'intégrer que les valeurs supérieurs à 5 $\micro$g/l

Débits estimé en moyenne à 200 l/s

Pas de temps 15min

Résultats

Les valeurs de fluorescence sont comprises entre 0 et 250 ppb après la calibration que nous avons réalisée. Le fluocapteur installé à proximité du fluorimètre affiche un résultat positif. Le fluorimètre est resté sans batterie pendant 15 jours. Nous avons obtenu un signal très rapidement après le remplacement des batteries. Il y a de fortes chances que nous ayons raté une partie du signal.

Le débit de la gouille de Salin est considéré comme constant. La masse de fluoréscéine restituée est de 50g sur les 6 650g injectés.

Interprétations

Le signal est clair. L'eau de la Petite Balme ressort à la gouille de Salin. Le temps de transfert est supérieur à un mois et semble pouvoir durer au moins deux mois. La forme de la courbe nous dit que la restitution se fait par a-coups qui ne sont pas forcément en lien avec les précipitations. Nous ne disposons pas d'une courbe avec une décroissance régulière de la concentration comme cela est souvent observé en milieu karstique. Nous pouvons en déduire que la circulation de l'eau dans le système est longue et assez déordonnée.

Seulement une partie du signal est disponible, il n'est donc pas possible d'extraire plus d'informations de ce résultat.

Source de Caffo

Résultats

Les valeurs de fluorescence sont de 0 ppb après la calibration que nous avons réalisée. Le fluocapteur installé à proximité du fluorimètre affiche un résultat positif. La source de Caffo présente un débit constant avec de faibles variations journalières. La turbidité de la source est très faible.

Interprétations

Il est difficile de comprendre les résultats obtenus. Il n'y a aucun impact des précipitations sur le débit de cette source.

Torrent du Retort

Résultats

Les valeurs de fluorescence varient de 1 à 15 ppb après calibration. Ces valeurs sont faibles compte tenu d'une possible sortie du traceur à 2 km de son point d'injection.

Nous observons trois types de variations de la fluorescence :

• des pics de fluorescence et de turbidité concomitants à des précipitations, et ce même avant l'injection du traceur.
• À partir de mi-septembre, nous observons des périodes de plusieurs jours durant lesquelles les valeurs de fluorescence et de turbidité sont élevées. Ces pics disparaissent après des précipitations. Nous identifions trois périodes correspondant à ces variations : du 17 au 22 septembre, du 2 au 5 octobre et du 8 octobre jusqu'à la fin de la mesure.
• Nous observons également un signal journalier de la fluorescence, mais pas de variation de la turbidité selon ce cycle. Ce phénomène est principalement observable entre début septembre et début octobre. Ce signal est cyclique, avec un minimum vers 13 h et un maximum vers 1 h.

Interprétations

Nous estimons que les pics de fluorescence observés proviennent de la fluorescence naturelle liée à la mobilisation de la matière organique lors des pluies, ce qui explique l'augmentation de la turbidité au même moment et l'absence de courbe de décroissance.

Les périodes de fluorescence longue que nous avons observées pourraient provenir d'une obstruction du capteur par des sédiments. Lors de la récupération du fluorimètre, celui-ci était sale (cf. photo). Le fait que ces périodes se terminent par des précipitations, sauf pour la dernière, nous fait pencher pour cette hypothèse.

Nous avons émis plusieurs hypothèses pour expliquer ces cycles journaliers observés :

• l'impact de la lumière ambiante, bien que le capteur ait été mis en place dans un tube en plastique noir légèrement perforé (cf. photo).
• une variation du débit journalière impliquant le déplacement de matière organique.

Nous penchons plutôt pour la seconde hypothèse, car les variations sont faibles et régulières. Nous avons surtout des arguments contre la première. Un effet du soleil et de la lumière extérieure ne serait visible que pendant la journée, ce qui impliquerait une fluorescence constante la nuit. Nous sommes preneurs d'autres hypothèses pour expliquer cela. Bien que cet effet semble n'avoir aucun rapport avec le traçage.

Caractérisation hydraulique du système karstique

Etude des mises en charge

La mise en charge est linéaire dans ce conduit karstique. Nous appliquons une régréssion linéaire sur chacune des phases de mise en charge identifiées. La figure ci-dessous représente la plus grande mise en charge enregistrée.

Représentation statistique de la mise en charge du conduit karstique

📊 Analyse descriptive :
Mise en charge niveau initiale :
 - Moyenne : 470.3506 m3
 - Médiane : 288.7153 m3
 - Ecart-type : 419.9238 m3
 - Min : -53.1549 m3
 - Max : 2453.8919 m3
 - Skewness : 2.2048
 - Kurtosis : 6.6163

Pente :
 - Moyenne : 32.5450 m3
 - Médiane : 19.7532 m3
 - Ecart-type : 42.7715 m3
 - Min : 3.7052 m3
 - Max : 327.3310 m3
 - Skewness : 4.0018
 - Kurtosis : 20.2876

Etude de la vidange

La vidange est linéaire dans ce conduit karstique. Nous appliquons une régréssion linéaire sur chacune des phases de vidange identifiées. La figure ci-dessous représente la plus grande vidange enregistrée.

Représentation statistique de vidange du conduit karstique

📊 Analyse descriptive :
Décrues niveau résiduel :
 - Moyenne : 568.9290 m3
 - Médiane : 438.7851 m3
 - Ecart-type : 487.1926 m3
 - Min : 68.9528 m3
 - Max : 3077.4772 m3
 - Skewness : 2.5246
 - Kurtosis : 8.1915

pente :
 - Moyenne : -15.2367 m3
 - Médiane : -9.0697 m3
 - Ecart-type : 18.5308 m3
 - Min : -179.9399 m3
 - Max : -3.7027 m3
 - Skewness : -4.8430
 - Kurtosis : 33.7734

Capacité de stockage (calculée en reliant variation de niveau à variation de volume si tu connais la géométrie de la cavité).

Corrélation avec les données météos

Nous avons cherché les corrélations avec les données météo observées à la station Meteo-France de Tignes et les mises en charge du siphon. Nous réalisons un shift de 4°C de la température à Tignes pour compenser la différence d'altitude avec l'entrée de la grotte.

La corrélation entre la température en surface et les hauteurs d'eau est importante. Un coefficient de corrélation de 0.83 est obtenu quand nous réalisons un shift de 7h de la température. Nous avons sélectionné une fenêtre temporelle sans précipitation et présentant un signal journalier de fonte important.

479 [[1.         0.83529728]
 [0.83529728 1.        ]]

Comparer la réponse en fonction des pluies ou apports (corrélation pluie–niveau).

Un temps de latence de 21-22h est identifié entre les précipitations et la mise en charge du réseau. Ce résultat pose question car la fonte est active au même moment et vient etre amplifié par les précipitations liquides.

Lag max (heures): -22 => -0.9166666666666666 jours

Best lag = 21.0 heures (0.88 jours)
Corrélation maximale = 0.501

Température

Les cavités karstiques ne subissent pas les mêmes variations de températures que la surface. La température d'une cavité dépend de la moyenne des températures annuelles en surface. Il est possible d'avoir des variations de températures au sein du karst en fonction des apports que peuvent produire les différentes entrées d'un réseau et les actifs. Il y a aussi des variations de températures dans les zones tampons. Il s'agit des zones proches des entrées dont la température varie plus rapidement.

Mesurer les variations de température dans un karst d’altitude est essentiel pour mieux comprendre les processus affectant ces environnements uniques. En premier lieu, la température influence directement les \textit{flux d’eau souterrains}, participant ainsi à la dissolution du calcaire et à la dynamique hydrologique. Dans les karsts de haute montagne, ces fluctuations permettent également de suivre les phénomènes de \textit{fonte des neiges et des glaciers}, essentiels pour la recharge des aquifères. Cette relation entre l’hydrologie et le climat local est indispensable pour évaluer l’impact du \textit{changement climatique}, en particulier en surveillant la stabilité des grottes de glace.

Les systèmes karstiques d’altitude agissent comme des \textit{réservoirs thermiques}, stabilisant les températures internes malgré les variations saisonnières à la surface. Ce phénomène, appelé \textit{effet tampon}, permet de maintenir une température interne stable, généralement proche de la moyenne annuelle extérieure. Cette stabilité est cruciale pour la préservation des \textit{écosystèmes souterrains} et contribue à la gestion des ressources en eau. En étudiant l’évolution des températures sur le long terme, on peut mieux anticiper les modifications à venir dans ces systèmes fragiles, influencées par les changements climatiques.

Une attention particulière doit être accordée à la \textit{zone de respiration} d’un karst, où les échanges d’air avec l’extérieur sont fréquents. Située à proximité des ouvertures naturelles de la grotte, cette zone est sujette à des \textit{fluctuations thermiques} importantes en fonction des conditions météorologiques extérieures. Ces variations influencent les processus géomorphologiques internes, tels que la condensation ou l’érosion. La zone de respiration permet aussi d'étudier les \textit{impacts du changement climatique} sur les karsts d'altitude à long terme.

Ces trois aspects sont interdépendants : les mesures de température fournissent non seulement des informations sur la \textit{dynamique interne du karst}, mais elles permettent également de prévoir les effets futurs du \textit{changement climatique} sur ces systèmes complexes.

Représentation de l'ensemble des données de température disponible durant la période de l'étude.

Figure de l'évolution de la température dans le puits d'entrée

Lors que nous regardons en détails les données de température du puits d'entrée, nous observons une correlation importante entre la température de l'air en extérieur et la température dans le puits d'entrée.

Les variations de températures sont rapides et permettent de voir des variations journalières de températures dès que la températures extérieure est négative. L'entrée est aspirante en hiver et souflante en été expliquant une température constante durant l'été.

Des températures constantes sont également observées en hiver. En 2023 à partir de début février car l'entrée s'est surement bouché naturellement. voir les dates des explorations en hiver, les ajouter au graph En 2025, les variations sont moins importantes et le comblement de la cavité semble se mettre en place dès la mi-janvier. L'entrée avait été bouché par une action humaine à confirmer , cela à diminuer le flux d'air entrant réduisant les amplitudes de variations des températures et les tôles ont permis la mise en place plus rapide d'un bouchons de neige.

Évolution de la température dans le P50

Les températures mesurées en haut du P50 sont globalement plus basses que celles relevées en bas du puits. Cette différence peut refléter une véritable variation thermique, mais elle peut aussi résulter d’un problème de calibration. La précision annoncée du capteur est de ±0,5 °C, avec une résolution de 0,04 °C. Il est donc possible d’observer des variations inférieures à la précision absolue, surtout lorsqu’on utilise les capteurs pour comparaison relative, comme c’est le cas ici avec deux instruments identiques.

Nous appliquons une moyenne glissante sur 24h sur l'ensemble des données de températures. Afin de réduire le bruit des mesures. Celle-ci peut impliquer un retard dans le signal, celui-ci serait donc de 12h.

Variations de température liées à l’apport d’eau

Sur la figure qui suit nous avons utilisé la température fournie par les sondes de pression Reefnet au siphon et en haut du P50. Elle est peu précise et présente un temps de latence plus important. Les petites variations sont moins visibles. L'écart entre les températures des reefnets et des sondes HOBO est nettement visible. Nous ne regarderons que les variations de température sur les reefnets.

À partir de début juin 2024 jusqu'à la fin d'août 2024, la hausse des températures extérieures déclenche une fonte importante. L’arrivée d’eau froide de fonte provoque alors une baisse nette de la température dans la grotte. Nous observons un signal similaire de début juin à début juin 2025.

Entre fin août et début novembre 2024, des fluctuations importantes (≈0,6 °C) sont observées dans le puits de 50 m, plus marquées dans la partie basse (+0,2 °C). Ce réchauffement est corrélé aux mises en charge du siphon entre 20 et 30 m de profondeur. On peut estimer que l’eau provenant de la surface apporte de la chaleur, réchauffant la cavité, et plus particulièrement le bas du puits en raison du volume d'eau présent lors des mises en charge. Nous observons les mêmes fluctuations à partir de mi-juillet 2025, bien que n'ayant pas les hauteurs d'eau pour le moment, il semble que le signal soit identique.

En revanche, il est plus difficile d’interpréter le refroidissement observé en mai 2024 en haut du P50 et le réchauffement observé début mai 2025 dans le P50 selon le même mécanisme. Une hypothèse spécifique est proposée dans le paragraphe suivant.

Réchauffement rapide du bas du puits au printemps

Dès début avril, un réchauffement net du P50 apparaît, principalement dans sa partie basse. Nous supposons qu’un courant d’air supplémentaire pourrait atteindre le bas du puits par une autre entrée, activée par l’inversion de l’aérologie de la cavité. Le signal thermique enregistré semble en effet corrélé aux variations de température extérieure. Cette théorie nous semble probable car il n'y a pas d'apport d'eau et que l'eau de fonte apporterai du froid dans la cavité comme montré précédemment. Cependant, en mai 2024, une chute des températures est observée en haut du P50. Nous nous demandons si cette différence pourrait être liée au fait que l'entrée a été bouchée par des toles. à confirmer

Signal de fonte

Comme présenté précédemment dans le fonctionnement hydrologique de la cavité, un lien important existe entre température extérieure et hauteur d'eau au siphon. Nous observons également un impact de cet apport d'eau sur la température de la cavité. À partir du 1er juin, une variation thermique journalière très caractéristique apparaît. Elle correspond au signal de la fonte et de l’apport d’eau froide dans la cavité.

Diminution de l’écart en fin d’hiver

L’écart de température entre les deux thermomètres se réduit progressivement au cours de l’hiver, jusqu’à devenir quasi nul. Dès la réactivation du courant d’air début avril, cet écart s’accentue de nouveau. Les deux capteurs provenant d’un même lot, il est possible qu’ils aient été calibrés de manière similaire. Durant l’hiver, lorsque toutes les entrées connues ou supposées sont fermées et que l’apport d’eau est nul, la cavité semble atteindre un état d’équilibre thermique, ce qui expliquerait la convergence des températures entre le haut et le bas du puits.

Cette hypothèse reste toutefois à considérer avec prudence : les différences observées sont proches de la limite de sensibilité des capteurs et n'apparaissent que grâce à l'application d'une moyenne glissante sur 24h.

Annexe

Régression linaire sur les phases de charges identifiées

Régression linaire sur les phases de vidanges identifiées